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第 七 章,生 物 氧 化 Biological Oxidation,第一節(jié) 概述,物質在生物體內進行氧化稱生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質等在體內分解時逐步釋放能量，最終生成CO2 和 H2O的過程。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,熱能,生物氧化的概念,是在細胞內溫和的環(huán)境中（體溫，pH接近中性），在一系列酶催化下逐步進行，能量逐步釋放有利于機體捕獲能量，提高ATP生成的效率。 進行廣泛的加水脫氫反應使物質能間接獲得氧，并增加脫氫的機會；脫下的氫與氧結合產生H2O，有機酸脫羧產生CO2。,生物氧化,體外氧化,能量是突然釋放的。 產生的CO2、H2O由物質中的碳和氫直接與氧結合生成。,一、生物氧化的特點,物質在體內外氧化時所消耗的氧量、最終產物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸鏈,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,二、生物氧化的過程,三、二氧化碳生成方式,四、代謝物氧化方式,生物氧化中物質的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應的一般規(guī)律。,第二節(jié) 呼吸鏈,定義 指線粒體內膜中按一定順序排列的一系列具有電子傳遞功能的酶復合體，可通過鏈鎖的氧化還原將代謝物脫下的電子最終傳遞給氧生成水。這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratory chain)又稱電子傳遞鏈(electron transfer chain)。 組成 遞氫體和電子傳遞體（2H 2H+ + 2e）,The discovery in 1948 by Eugene Kennedy and Albert Lehninger that mitochondria are the site of oxidative phosphorylation in eukaryotes marked the beginning of the modern phase of studies of biological energy transductions,人線粒體呼吸鏈復合體,泛醌不包含在上述四種復合體中。,一、呼吸鏈的組成,呼吸鏈各復合體在線粒體內膜中的位置,Cytc,Q,胞液側,基質側,線粒體內膜,1. 復合體: NADH-泛醌還原酶,功能: 將電子從NADH傳遞給泛醌 (ubiquinone),NAD+和NADP+的結構,R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉變,氧化還原反應時變化發(fā)生在五價氮和三價氮之間。,FMN結構中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應時不穩(wěn)定中間產物是FMN 。,鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進行Fe2+ Fe3+e 反應傳遞電子。, 表示無機硫,鐵硫蛋白,泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側鏈（人CoQ10），氧化還原反應時可生成中間產物半醌型泛醌。,2. 復合體: 琥珀酸-泛醌還原酶,功能: 將電子從琥珀酸傳遞給泛醌,3. 復合體: 泛醌-細胞色素c還原酶,功能：將電子從泛醌傳遞給細胞色素c,細 胞 色 素,細胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據它們吸收光譜不同而分類。,Fe-S,4. 復合體: 細胞色素c氧化酶,功能：將電子從細胞色素c傳遞給氧,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位將電子交給O2。,由以下實驗確定 標準氧化還原電位 拆開和重組 特異抑制劑阻斷 還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧,二、呼吸鏈成分的排列順序,1. NADH氧化呼吸鏈 NADH 復合體Q 復合體Cyt c 復合體O2 2. 琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸 復合體 Q 復合體Cyt c 復合體O2,order,NADH,FMN Fe-S,CoQ,FAD Fe-S,琥珀酸,Cytb Fe-S Cytc1,CytC,Cytaa3,O2,NADH氧化呼吸鏈,FADH2氧化呼吸鏈,第三節(jié) 生物氧化與能量代謝,一、高能化合物的種類,高能磷酸鍵 水解時釋放的能量大于21kJ/mol的磷酸酯鍵，常表示為P。 高能磷酸化合物 含有高能磷酸鍵的化合物,一些重要有機磷酸化合物水解釋放的標準自由能,二、ATP的合成,是底物分子內部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過程。,1、底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation),1,3-二磷酸甘油酸轉變成3-磷酸甘油酸,1,3-二磷酸 甘油酸,3-磷酸甘油酸,磷酸甘油酸激酶(phosphoglycerate kinase),是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。,2、氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation),1、氧化磷酸化偶聯(lián)部位,氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復合體、 根據自由能變化和P/O比值 G=-nFE,三、氧化磷酸化機制,電子傳遞鏈自由能變化,P/O比值 指氧化磷酸化過程中，每消耗1/2摩爾O2所生成ATP的摩爾數（或一對電子通過氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數）。,NADH,FMN Fe-S,CoQ,FAD Fe-S,琥珀酸,Cytb Fe-S Cytc1,CytC,Cytaa3,O2,NADH氧化呼吸鏈,FADH2氧化呼吸鏈,2、化學滲透假說,電子經呼吸鏈傳遞時，可將質子（H+）從線粒體內膜的基質側泵到內膜胞漿側，產生膜內外質子電化學梯度儲存能量。當質子順濃度梯度回流時驅動ADP與Pi生成ATP。,In the early 1960s Peter Mitchell suggested chemiosmotic hypothesis,化學滲透假說簡單示意圖,胞液側,基質側,化學滲透假說詳細示意圖,氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內膜； 線粒體內膜對H+、OH、K、Cl離子是不通透的； 電子傳遞鏈可驅動質子移出線粒體，形成可測定的跨內膜電化學梯度； 增加線粒體內膜外側酸性可導致ATP合成，而線粒體內膜加入使質子通過物質可減少內膜質子梯度，結果電子雖可以傳遞，但ATP生成減少。,化學滲透假說已經得到廣泛的實驗支持。,3、 ATP合酶,由親水部分 F1（33亞基 ）和疏水部分 F0（a1b2c912亞基）組成。,ATP合酶結構模式圖,ATP合酶組成可旋轉的發(fā)動機樣結構,當H+順濃度遞度經F0中a亞基和c亞基之間回流時，亞基發(fā)生旋轉，3個亞基的構象發(fā)生改變。,ATP合酶的工作機制,Na+，K+ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達均增加。,1、ADP,呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR),2、甲狀腺激素,四、氧化磷酸化的影響因素,3、呼吸鏈抑制劑,復合體抑制劑：魚藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)及異戊巴比妥(amobarbital)等阻斷傳遞電子到泛醌 。 復合體的抑制劑：萎銹靈(carboxin)。,復合體抑制劑：抗霉素A(antimycin A)阻斷Cyt bH傳遞電子到泛醌(QN) 。 復合體 抑制劑：CN、N3、CO阻斷電子傳遞給O2。,魚藤酮 粉蝶霉素A 異戊巴比妥,抗霉素A 二巰基丙醇,CO、CN-、 N3-及H2S,各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點,NADH,FMN Fe-S,CoQ,FAD Fe-S,琥珀酸,Cytb Fe-S Cytc1,CytC,Cytaa3,O2,萎銹靈,4、解偶聯(lián)劑,解偶聯(lián)劑(uncoupler)可使氧化與磷酸化的偶聯(lián)相互分離，基本作用機制是破壞電子傳遞過程建立的跨內膜的質子電化學梯度，使電化學梯度儲存的能量以熱能形式釋放，ATP的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP) ；解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein，UCP1)。,解偶聯(lián)蛋白作用機制（棕色脂肪組織線粒體）,Q,胞液側,基質側,解偶聯(lián) 蛋白,5、ATP合酶抑制劑,這類抑制劑對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可結合F0單位，二環(huán)己基碳二亞胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共價結合F0的c亞基谷氨酸殘基，阻斷質子從F0質子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于線粒體內膜兩側質子電化學梯度增高影響呼吸鏈質子泵的功能，繼而抑制電子傳遞。,寡霉素(oligomycin) 可阻止質子從F0質子通道回流，抑制ATP生成,寡霉素,ATP合酶結構模式圖,6、線粒體DNA突變,五、ATP的利用,ATP,ADP,機械能(肌肉收縮) 滲透能(物質主動轉運) 化學能(合成代謝) 電能(生物電) 熱能(維持體溫),生物體內能量的儲存和利用都以ATP為中心。,肌酸激酶的作用,磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。,第四節(jié) 細胞質NADH的氧化,線粒體內膜對各種物質進行選擇性轉運,線粒體外膜通透性高，線粒體對物質通過的選擇性主要依賴于內膜中不同轉運蛋白(transporter)對各種物質的轉運。,線粒體內膜的某些轉運蛋白對代謝物的轉運,胞漿中NADH必須經一定轉運機制進入線粒體，再經呼吸鏈進行氧化磷酸化。,-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle) 蘋果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle),轉運機制：,1. 3-磷酸甘油穿梭機制,主要發(fā)生在腦和骨骼肌中。,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,線粒體 內膜,線粒體 外膜,膜間隙,線粒體 基質,磷酸二羥丙酮,-磷酸甘油,2. 蘋果酸-天冬氨酸穿梭機制,主要發(fā)生在肝臟和心肌中。,NADH +H+,NAD+,谷氨酸- 天冬氨酸 轉運體,蘋果酸-酮 戊二酸轉運體,蘋果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,線 粒 體 內 膜,基質,天冬氨酸,第五節(jié) 非線粒體氧化體系,一、抗氧化酶體系有清除反應活性氧類的功能,Main players in the chemistry of life: unpaired electrons,反應活性氧類(reactive oxygen species, ROS),ROS主要來源,線粒體：超氧陰離子O-2，是體內O-2的主要來源； O-2在線粒體中再生成H2O2和OH。 過氧化酶體：FAD將從脂肪酸等底物獲得的電子交給O2生成H2O2和羥自由基OH。 胞漿需氧脫氫酶（如黃嘌呤氧化酶等）也可催化生成O-2。 細菌感染、組織缺氧等病理過程，環(huán)境、藥物等外源因素也可導致細胞產生活性氧類。,抗氧化酶體系,1、過氧化氫酶(catalase) 又稱觸酶，其輔基含4個血紅素,可去除細胞生長和代謝產生的H2O2和過氧化物(R-O-OH)，是體內防止活性氧類損傷主要的酶。,2、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx),H2O2 + 2GSH 2 H2O +GS-SG 2GSH + R-O-OH GS-SG + H2O + R-OH,谷胱甘肽過氧化物酶,H2O2 (ROOH),H2O (ROH+H2O),2G SH,G S S G,NADP+,NADPH+H+,此類酶可保護生物膜及血紅蛋白免遭損傷。,谷胱甘肽還原酶,含硒的谷胱甘肽過氧化物酶,3、超氧化物歧化酶,2O2+ 2H+,SOD,H2O2 + O2,H2O + O2,過氧化氫酶,SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide di